过控控制实验操作软件及控制系统设计
过控控制实验操作软件及控制系统设计[20200410140247]
摘要
随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。通用工业自动化组态软件的出现能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
本课题以过程控制试验装置为对象，运用国产组态软件组态王，设计应用于过程控制实验装置的实验操作软件和控制系统。下位机采用西门子S7-200PLC，负责采集现场数据及控制。采集数据传送到PLC中，通过PID运算，传送到上位机，上位机采用组态王软件，设计了报警，数据报表，实时趋势曲线，历史曲线，动画显示等功能。完成上位机监测、下位机控制的实验监控系统。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:S7-200PLC组态王PID控制 Experimentaloperationofprocesscontrolsoftwareandcontrolsystemdesign
目录
1. 绪论 1
1.1 本课题研究背景 1
1.2 国内外研究及应用现状 1
2. 总体设计方案 3
2.1 过程控制的系统组成与实验结构框图 3
2.2 主要硬件选型 3
2．21 PLC选型 4
2.22 变送器 4
2.3 控制系统原理与流程 5
2.3．1水箱液位、压力、流量、温度控制系统原理 5
2.3.2液位、压力、流量等控制系统结构 5
3. 控制算法设计及实现 7
3.1 PID控制算法 7
3.1.1 PID控制算法概括 7
3.1.2 PID参数的整定 7
3.2 PID控制算法的PLC程序设计 8
3.2.1用PLC实现模拟量PID控制 8
3.2.2 PID指令 8
3.3 过程控制系统PID控制程序的设计 9
3.3.1初始化子程序的设计 9
3.3.2 手动控制程序设计 11
4. 下位机S7-200PLC控制系统设计 13
4.1 S7-200PLC系统概括 13
4.2 程序变量回路表 14
4.3 控制程序 15
4.3.1设计的控制要求 15
4.3.2 程序结构和控制流程 15
4.3.3 控制程序的设计 16
5. 上位机监控系统设计 18
5.1组态王的概述 18
5.2 定义I/O设备 18
5.3 控制系统组态画面设计 19
5.3.1过程控制界面设计 19
5.3.2主画面的设计 19
5.3.3 菜单界面设计 20
5.3.4 液位、压力、流量、温度等界面设计 20
5.3.5 历史曲线设计 21
5.3.6 报警界面设计 22
5.3.7实时报表与历史报表 23
参考文献 26
附录：过程控制PLC程序 27
致谢 34
1. 绪论
1.1 本课题研究背景
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC迅速发展，同时，PLC的功能也得到不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展以及用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC在运动控制、过程控制等领域发挥着十分重要的作用。
在对温度、压力、流量、液位等工艺参数作为控变量的过程控制，计算机对工艺过程的温度压力流量进行的控制，称为工艺过程自动控制。过程控制的主要作用是：保证生产过程稳定，防止发生事故；保证产品质量；节约原料、能源消耗，降低成本；提高劳动生产率，充分发挥设备潜力；减轻劳动强度，改善劳动条件。
1.2 国内外研究及应用现状
（1）国内外PLC研究及应用现状
目前，世界上有plc厂商200多家，各种型号产品几千种。plc产品按地域上分成三个流派，分别是美国产品、欧洲产品、日本产品。美国：a-b（allen-bradly）、ge（generalelectric）;欧洲：德国的西门子（siemens）、法国的te（telemecanique）;日本：三菱电机（mitsubishielectric）、欧姆龙（omron）。此外控制工程网版权所有，国内市场上还有韩国、台湾地区等plc产品。
在工业控制领域中，plc始终处于工业控制自动化领域的主导地位，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，plc与dcs（分布式控制系统）和ipc（工业pc）形成了三足鼎立之势。
（2） 组态软件的研究及应用现状
组态王是一个有丰富功能的数据采集与过程控制的专用软件，可用于工业自动化的过程控制的管理监控。用户根据实工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。
1.3 本课题研究的主要内容
本课题以过程控制试验装置为对象，运用国产组态软件组态王，设计应用于过程控制实验装置的实验操作软件和控制系统。下位机采用西门子S7-200PLC设计系统控制程序，构建上位机监测、下位机控制的实验监控系统。以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，运用PID控制算法对温度、压力、液位和流量进行控制。本课题的主要内容有：
（1）研究水箱液位，压力，流量，温度等控制系统的工作原理，组态王软组件使用及与下位机的通讯；
（2）掌握S7-200PLC的工作原理，程序编制方法，PLC模拟量控制指令的综合运用方法；
（3）根据系统控制要求，编制S7-200PLC控制程序，运用PLC模拟量指令编写PID控制程序对温度、压力、液位和流量的控制。设计合理的PID控制算法，完成数据的采集、数据处理、发送命令等工作。
（4）运用组态王软件设计液位、温度等控制的实验系统，具有实时趋势曲线、历史趋势曲线、登陆界面等必要的界面以及相关参数设置。
2. 总体设计方案
2.1 过程控制的系统组成与实验结构框图
过程控制装置系统结构如图2-1所示，该控制采用S7200PLC，控制对象为水箱液位、温度、压力、流量，PLC采集传感器、电机及变频器等各类对象的数据，并对数据进行处理，根据控制要求进行运算，将结果通过模拟量输出给执行器。
上位计算机通过组态王监控软件和下位机PLC串口通信，通过进行控制算法编程，为过程控制装置提供动画界面，可以在控制时进行参数的整定修改以及响应曲线的显示。实现整个系统的监测。
图2-1系统的结构图
2.2 主要硬件选型
本课题采用西门子S7-200 PLC进行控制系统的设计。执行器模块主要有固态继电器、磁力驱动泵、电加热丝。变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1，LT2）、温度变送器（TT）、压力变送器（PT）
2．21 PLC选型
S7-200 CPU 224，其共有24 个数字量I/O口，其中14点输入和10点输出，它还可以连接7个扩展模块，最大可扩展至168点数字量I/O或35路模拟量I/O。CPU 224有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制功能。CPU 224配有一个RS-485通信/编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，具有较强的控制能力。
2.22 变送器
（1）Pt100热电阻
经研究，金属铂的电阻值随温度的变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性。通常使用的传感器电阻为100欧姆，电阻变化率为0.3851、欧姆。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，可应用范围广泛，是中低温区（-200℃-650℃）最常用的一种温度检测计。
摘要
随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。通用工业自动化组态软件的出现能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
本课题以过程控制试验装置为对象，运用国产组态软件组态王，设计应用于过程控制实验装置的实验操作软件和控制系统。下位机采用西门子S7-200PLC，负责采集现场数据及控制。采集数据传送到PLC中，通过PID运算，传送到上位机，上位机采用组态王软件，设计了报警，数据报表，实时趋势曲线，历史曲线，动画显示等功能。完成上位机监测、下位机控制的实验监控系统。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:S7-200PLC组态王PID控制 Experimentaloperationofprocesscontrolsoftwareandcontrolsystemdesign
目录
1. 绪论 1
1.1 本课题研究背景 1
1.2 国内外研究及应用现状 1
2. 总体设计方案 3
2.1 过程控制的系统组成与实验结构框图 3
2.2 主要硬件选型 3
2．21 PLC选型 4
2.22 变送器 4
2.3 控制系统原理与流程 5
2.3．1水箱液位、压力、流量、温度控制系统原理 5
2.3.2液位、压力、流量等控制系统结构 5
3. 控制算法设计及实现 7
3.1 PID控制算法 7
3.1.1 PID控制算法概括 7
3.1.2 PID参数的整定 7
3.2 PID控制算法的PLC程序设计 8
3.2.1用PLC实现模拟量PID控制 8
3.2.2 PID指令 8
3.3 过程控制系统PID控制程序的设计 9
3.3.1初始化子程序的设计 9
3.3.2 手动控制程序设计 11
4. 下位机S7-200PLC控制系统设计 13
4.1 S7-200PLC系统概括 13
4.2 程序变量回路表 14
4.3 控制程序 15
4.3.1设计的控制要求 15
4.3.2 程序结构和控制流程 15
4.3.3 控制程序的设计 16
5. 上位机监控系统设计 18
5.1组态王的概述 18
5.2 定义I/O设备 18
5.3 控制系统组态画面设计 19
5.3.1过程控制界面设计 19
5.3.2主画面的设计 19
5.3.3 菜单界面设计 20
5.3.4 液位、压力、流量、温度等界面设计 20
5.3.5 历史曲线设计 21
5.3.6 报警界面设计 22
5.3.7实时报表与历史报表 23
参考文献 26
附录：过程控制PLC程序 27
致谢 34
1. 绪论
1.1 本课题研究背景
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC迅速发展，同时，PLC的功能也得到不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展以及用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC在运动控制、过程控制等领域发挥着十分重要的作用。
在对温度、压力
1.2 国内外研究及应用现状
（1）国内外PLC研究及应用现状
目前，世界上有plc厂商200多家，各种型号产品几千种。plc产品按地域上分成三个流派，分别是美国产品、欧洲产品、日本产品。美国：a-b（allen-bradly）、ge（generalelectric）;欧洲：德国的西门子（siemens）、法国的te（telemecanique）;日本：三菱电机（mitsubishielectric）、欧姆龙（omron）。此外控制工程网版权所有，国内市场上还有韩国、台湾地区等plc产品。
在工业控制领域中，plc始终处于工业控制自动化领域的主导地位，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，plc与dcs（分布式控制系统）和ipc（工业pc）形成了三足鼎立之势。
（2） 组态软件的研究及应用现状
组态王是一个有丰富功能的数据采集与过程控制的专用软件，可用于工业自动化的过程控制的管理监控。用户根据实工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。
1.3 本课题研究的主要内容
本课题以过程控制试验装置为对象，运用国产组态软件组态王，设计应用于过程控制实验装置的实验操作软件和控制系统。下位机采用西门子S7-200PLC设计系统控制程序，构建上位机监测、下位机控制的实验监控系统。以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，运用PID控制算法对温度、压力、液位和流量进行控制。本课题的主要内容有：
（1）研究水箱液位，压力，流量，温度等控制系统的工作原理，组态王软组件使用及与下位机的通讯；
（2）掌握S7-200PLC的工作原理，程序编制方法，PLC模拟量控制指令的综合运用方法；
（3）根据系统控制要求，编制S7-200PLC控制程序，运用PLC模拟量指令编写PID控制程序对温度、压力、液位和流量的控制。设计合理的PID控制算法，完成数据的采集、数据处理、发送命令等工作。
（4）运用组态王软件设计液位、温度等控制的实验系统，具有实时趋势曲线、历史趋势曲线、登陆界面等必要的界面以及相关参数设置。
2. 总体设计方案
2.1 过程控制的系统组成与实验结构框图
过程控制装置系统结构如图2-1所示，该控制采用S7200PLC，控制对象为水箱液位、温度、压力、流量，PLC采集传感器、电机及变频器等各类对象的数据，并对数据进行处理，根据控制要求进行运算，将结果通过模拟量输出给执行器。
上位计算机通过组态王监控软件和下位机PLC串口通信，通过进行控制算法编程，为过程控制装置提供动画界面，可以在控制时进行参数的整定修改以及响应曲线的显示。实现整个系统的监测。
图2-1系统的结构图
2.2 主要硬件选型
本课题采用西门子S7-200 PLC进行控制系统的设计。执行器模块主要有固态继电器、磁力驱动泵、电加热丝。变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1，LT2）、温度变送器（TT）、压力变送器（PT）
2．21 PLC选型
S7-200 CPU 224，其共有24 个数字量I/O口，其中14点输入和10点输出，它还可以连接7个扩展模块，最大可扩展至168点数字量I/O或35路模拟量I/O。CPU 224有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制功能。CPU 224配有一个RS-485通信/编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，具有较强的控制能力。
2.22 变送器
（1）Pt100热电阻
经研究，金属铂的电阻值随温度的变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性。通常使用的传感器电阻为100欧姆，电阻变化率为0.3851、欧姆。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，可应用范围广泛，是中低温区（-200℃-650℃）最常用的一种温度检测计。
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